电力电子技术

电力电子技术 This manuscript was revised on November 28, 2020

电力电子技术复习题

填空题

1.标出下面元件的简称：

电力晶体管GTR；可关断晶闸管GTO；功率场效应晶体管MOSFET；绝缘栅双极型晶体管IGBT ；IGBT是MOSFET 和GTR的复合管。

2.晶闸管对触发脉冲的要求是要有足够的驱动功率、触发脉冲前沿要陡幅值要高和触发脉冲要与晶闸管阳极电压同步。

3.多个晶闸管相并联时必须考虑均流的问题，解决的方法是串专用均流电抗器。

4.在电流型逆变器中，输出电压波形为正弦波，输出电流波形为方波。

5.型号为KS100-8的元件表示双向晶闸管晶闸管、它的额定电压为 800V伏、额定有效电流为100A。

°导电型三相桥式逆变电路，晶闸管换相是在同一桥臂上的上、下二个元件之间进行；而120o导电型三相桥式逆变电路，晶闸管换相是在不同桥臂上的元件之间进行的。

7.当温度降低时，晶闸管的触发电流会增加、正反向漏电流会下降；当温度升高时，晶闸管的触发电流会下降、正反向漏电流会增加。

8.常用的过电流保护措施有快速熔断器、串进线电抗器、接入直流快速开关、控制快速移相使输出电压下降。（写出四种即可）

9.普通晶闸管内部有两个 PN结，外部有三个电极，分别是阳极A 、

阴极K 和门极G 。

10.晶闸管在其阳极与阴极之间加上正向电压的同时，门极上加上触发电压，晶闸管就导通。

11.晶闸管的工作状态有正向阻断状态，正向导通状态和反向

阻断状态。

12.当增大晶闸管可控整流的控制角α，负载上得到的直流电压平均值会减小。

13.晶体管触发电路的同步电压一般有正弦波同步电压和锯齿波电

压。

14.按负载的性质不同，晶闸管可控整流电路的负载分为电阻性负载，电感性负载和反电动势负载三大类。

15.双向晶闸管的触发方式有Ⅰ+、Ⅰ-、Ⅲ＋、Ⅲ-四种

16.在有环流逆变系统中，环流指的是只流经逆变电源、逆变桥而不流经负载的电流。环流可在电路中加电抗器来限制。为了减小环流一般采控用控制角α大于β的工作方式。

17.三相半波可控整流电路中的三个晶闸管的触发脉冲相位按相序依次互差120°。

18.对于三相半波可控整流电路，换相重叠角的影响，将使用输出电压平均值下降。

°导电型电压源式三相桥式逆变电路，其换相是在同一相的上、下二个开关元件之间进行。

20.有源逆变器是将直流电能转换为交流电能馈送回电网的逆变电路。

21. KP100-10型晶闸管,能承受最大交流电压有效值是 707V 。

22.三相半控桥式整流电路,不能工作在逆变状态。

23.在无源逆变器中，为使晶闸管可靠关断，常采用自然换流和强迫换流两种。

24.单相半控桥式整流电路中，若出现一个晶闸管直通，另两个二极管轮流导电180°的

情况时，则表示该电路发生失控现象。

25.在实际应用中，双向晶闸管常采用Ⅰ+ 和Ⅲ- 和两种触发方式。

26.控制角α与逆变角β之间的关系为β=л-α。

简答题

1.简述晶闸管整流电路对触发脉冲的要求。

答：

（1）触发信号可为直流、交流或脉冲电压。

（2）触发信号应有足够的功率（触发电压和触发电流）。

（3）触发脉冲应有一定的宽度，脉冲的前沿尽可能陡，以使元件在触发导通后，阳极电流迅速上升到掣住电流而维持导通。

（4）触发脉冲必须与晶闸管的阳极电压同步。

2.简述GTR基极驱动电路的功能：

答：

（1）提供合适的正反向基流以保证GTR可靠导通与关断。

（2）实现主电路与控制电路的隔离。

（3）自动保护功能，以便在故障发生时快速自动切断驱动信号，避免损坏GTR。

电路尽可能简单，工作稳定可靠、抗干扰能力强。

3.晶闸管整流电路中的脉冲变压器有什么作用

答：

在晶闸管的触发电路采用脉冲变压器输出，可降低脉冲电压，增大输出的触发电流，还可以使触发电路与主电路在电气上隔离，既安全又可防止干扰，而且还可以通过脉冲变压器多个二次绕组进行脉冲分配，达到同时触发多个晶闸管的目地。

4.简述晶闸管有源逆变的条件：

答：

（1）有直流电动势源，极性与晶闸管的导通方向一致，且数值稍大于变流器直流侧的平均电压。

（2）变流器工作在α>900范围。

（3）直流侧串接大电感。

5.试以三相全控桥式反并联电路为例，分析α＝β工作制的主电路的工作原理。

答：

（1）正转。给I组和II组晶闸管触发信号，αI<900，αII>900，即βII<900且保证αI＝βII，此时第一组工作在整流状态，输出电压为UdI=αI，电动机电枢得到右正左负的电压后运行，且产生反电动势E。第二组晶闸管由于触发脉冲βII<900，其输出电压为UdII=βII，和UdI大小相等，极性也为右正左负，由于此时UdII>E，不满足逆变条件，二组晶闸管工作在待逆变状态。

（2）调速。当需要速度升高时，使αI减小，βII减小，输出电压增大，电流增大，电磁转矩增大，电动机转速升高，减速时相反。

（3）停机。第一组晶闸管的触发脉冲移动到大于900，在移相过程中，电枢电流迅速下降，电感将产生感应电动势，使一组晶闸管继续导通，工作在有源逆变状态，将电感中储存的能量逆变为交流电能回馈电网，称本桥逆变，由于电流下降很快，转速还来不及变化。当电流下降到零时，将第二组晶闸管的触发脉冲移相到βII<900，使的

IUdIII

（4）反转。当电动机停机完成后，再继续将二组晶闸管的脉冲由大于900移到小于900区域，一组进入待逆变状态，二组进入整流状态，直流电压极性改变，电动机反转。6.有源逆变实现的条件是什么

答：

（1）晶闸管的控制角大于90度，使整流器输出电压UD为负

（2）整流器直流侧有直流电动势，其极性必须和晶闸管导通方向一致，其幅值应大于变流器直流侧的平均电压

7.单结晶体管的特性曲线可以分为哪几段如果用一个二极管和两个电阻接成如下方式，请按对单结晶体管特性曲线进行研究的相同做法，设计试验电路，并作出它的Ie-Ue特性曲线。

单结晶体管特性曲线可分为：截止区、负阻区、饱和导通区。

8.单项桥式逆变器的“非对称控制”的过程，其目的在于什么

答：

使V1、V2栅极信号互补，V3、V4栅极信号互补；V3与V2不同相位，V4栅极信号与V1不同相位，而是分别前移了180o-θ，即V3、V4分别比V1、V2落后θ。“非对称控制”使得输出电压不再是正负各为180o的脉冲，而是正负各为θ的脉冲。

“非对称控制”称为移相调压，用于调节带有阻感负载的逆变电路输出电压，改变θ，可改变输出电压。

9.有源逆变产生的条件

答：

（1） |U

d |<|E

|（2）β<90゜

10.并联谐振型逆变电路利用负载电压进行换流，晶闸管交替频率与负载回路的谐振频率应满足什么条件负载电压u

什么样的波形

答：

(1)晶闸管交替频率稍大于负载回路的谐振频率

(2)负载电压u

是正弦波

11.三相桥式全控整流电路中，对触发脉冲有何要求，为什么

答：

按VT1-VT2-VT3-VT4-VT5-VT6的顺序，相位依次差60°，共阴极组VT1、VT3、VT5的脉冲依次差120°，共阳极组VT4、VT6、VT2也依次差120°，同一相的上下两个桥臂，即VT1与VT4，VT3与VT6，VT5与VT2，脉冲相差180°。

原因：保证2个晶闸管同时通形成供电回路，其中共阴极组和共阳极组各1，且不能为同1相器件。

12.什么是单相桥式半控整流电路的失控现象纯电阻型负载会发生失控吗为什么

答：

当α角突然增加到180o或触发脉冲消失，会发生一个晶闸管连续导通，而二个二极管轮流导通的情况，称之为失控。

纯电阻负载不会发生失控现象，因为没有续流过程。

13.晶闸管的导通条件和关断条件。

答：

(1)阳极和门极承受正向电压

(2)阳极承受反向电压或阳极电流小于维持电流

14.逆变失败的原因是什么

答：

(1)某晶闸管在逆变时由于某种原因无法触发导通

(2)逆变角太小

15.写出下列电力电子器件的电气符号，英文简称，并说明它们属于电流控制还是电压控制。

1）门级可关断晶闸管； 2）电力晶体管； 3）晶闸管；

4）电力场效应管； 5）绝缘栅双级晶体管。答：

1）门级可关断晶闸管；

GTO 流控

2）电力晶体管； GTR 流控 3）晶闸管 SCR ；流控

4）电力场效应管 MOSFET 压控

5）绝缘栅双级晶体管 IGBT 压控

16.流过晶闸管的电流波形如图所示，不考虑安全裕量，试求额定电流为100A 的元件所允许的平均电流I d 及最大电流值I m . I d =314/=(A) I m =2 I d = (A)

17.单相桥式全控整流电路，U 2 =100V ，负载电阻R =2，L 值极大，当α=30o 时，求整流输出平均电压U d ，电流I d 的值。

U d =1cos 2

+=×100×1cos302o += (V )

I d =

U R

=42 (A) 计算题

1.一台由220V 供电的自动恒温功率为1kW 的电炉，采用单相半控桥整流电路。通过计算选择晶闸管和续流二极管的型号。解：电炉电阻丝的电阻

Rd=d

P U 22=1000220220?≈48Ω

当α=0°时晶闸管与整流管的电流有效值才最大为

ITm=IDm=

Rd U 2παπαπ2241-+SIn =48220π

ππ20

0241-+?= 选择晶闸管和整流管的型号

IT(AV)=～2)57.1Tm I =～2)57

.12

.3=34A

取5A(电流系列值)

UTn=(2～3)UTM=(2～3)2×220=625～936V

所以，晶闸管的型号为KP5-8 同理，整流管的型号为ZP5-8

2. 一个额定电流为100A 的晶闸管，在流过如图所示波形的电流不时，不考虑安全裕量，允许所流过的电流平均值为多少有效值：)(15757.1A I I T == 有效值：m m m I t d I t d I I 6

5))(4)((213

/23

/2=

=??

ππωωπ

平均值：m m m d I t d I t d I I 2

))(2)((213/23/23/=+=

??ππππωωπ＝86（A ）

3.某感性负载采用带续流二极管的单相半控桥整流电路，已知电感线圈的内电阻Rd=5Ω，输入交流电压U2=220V ，控制角α=60°。试求晶闸管与续流二极管的电流平均值和有效值。

解：首先求整流使出电压的平均值

Ud=2

1α

COS +=×220×26010COS +=149 V

再求负载电流

Id = Ud / Rd = (149 / 5) ≈ 30 A

晶闸管与续流二极管的电流平均值和有效值分别为

IdT = 00360180α- Id =

30360601800

0?- = 10 A IT = 0

0360180α

- Id = 00036060180- ×30 =

IdD = 0

180

Id = 0018060× 30 = 10 A ID =0180α Id = 0

18060 ×30 = A

4.三相半波可控整流电路，大电感负载，α＝600，已知电感内阻R=4Ω，电源电压U2=220V ，试计算不接续流二极管与接续流二极管两种情况下的平均电压，平均电流，并选择晶闸管的型号。并画出电压电流波形。

解：（1）不接续流二极管时，

Ud==，

Id=Ud/R=4=，

IT=1/31/2Id==IT/=，

取30AUTn=(2--3)61/2U2=1078--1616V ，取1200V ，晶闸管为KP30-12。（2）

接续流二极管时，

Ud=[1+cos(300+α)]= Id=Ud/R=4=，

IT=Id 【(1500-600)/3600】1/2=

ITn=IT/=，取30A UTn=(2--3)61/2U2=1078--1616V ，取1200V 晶闸管为KP30-12。

5.一台工业炉原由额定电压为单相交流220∨供电，额定功率为10千瓦。现改用双向晶闸管组成的单相交流调压电源供电，如果正常工作时负载只需要5千瓦。试问双向晶闸管的触发角α应为多少度试求此时的电流有效值，以及电源侧的功率因数值。 π/2；；

6. 有一单相交流调压电路，电路参数如下： Ui =100V ，R=3Ω，L=100mH 。求：

1）本电路所用的电力电子器件名称是什么它的额定电流是如何定义的 2）试分别画出α=30°及α=75°时的输出电压Uo 稳态波形。

答： 1）双向晶闸管，平均通态电流 2）

7.某感性负载采用带续流二极管的单相半控桥整流电路，已知电感线圈的内电阻Rd=5Ω，输入交流电压U2=220V ，控制角α=60°。试求晶闸管与续流二极管的电流平均值和有效值。

解：首先求整流使出电压的平均值

Ud=2

1α

COS +=×220×26010COS +=149 V

再求负载电流

Id = Ud / Rd = (149 / 5) ≈ 30 A

晶闸管与续流二极管的电流平均值和有效值分别为

IdT = 00360180α- Id =

30360601800

0?- = 10 A IT = 0

0360

180α

- Id = 00036060180- ×30 = IdD = 0

180α

Id = 0018060× 30 = 10 A

ID =0180α Id = 0

18060 ×30 = A

8.单相桥式半控整流电路，负载为大电感，并接有续流二极管，设最大负载电流为20A ，控制角α=30°，试回答：

①画出u d 、i v11波形

②计算晶闸管电流有效值I v1

③计算续流二极管的电流有效值I V4 答

(1)波形u d , i V11 (2)I V1=παπ

-min

2I d ≈ (3)I V2AR =

αm in

I d ≈ 9.有一个三相全控桥整流电路。已知电感负

载L=、R=4Ω、要求U d 从0～220V 之间变化。试求

画出控制角α=30°时的整流输出电压u d 的波形，画出晶闸管V11的电压u v11的波形； ⑴ 不考虑控制角裕量时的变压器二次线电压U 2φ。

⑵ 计算晶闸管电压、电流值,(安全裕量为2倍),选择晶闸管型号。 ⑶ 变压器二次电流有效值I 2,和S 2, 答(1)

(2) αφcos 34.22U U d =，α=0°U d =220v

得出:

U 2φ=94v

(3)U d /R d =220/4=55A d T I I 31==

I T(AV) =2 I TM /=，取50A ；

U Tn =2 U Tm =2φ26U =，取500V ；

所以型号为KP50-5

(4) I2=d I 3

= S2=3U 2φ×I2=3×94×= 10.

1.图示电路属于哪种斩波电路简述其工作原理。

2.当E =100V ，V 的关断时间为T/3，导通时间为2T/3时，输出电压U o 为多少（理想状态下）

3.考虑电路的电阻R 为10K ，求电源电流I 1和输出电流平均值I o 。升压斩波，

V 处于通态时，电源E 向电感L 充电，I 1电流恒定，电容C 向负载R 供电，输出电压Uo 恒定。V 处于断态时，电源E 和电感L 同时向电容C 充电，并向负载提供能量。 11.单极性单项桥式SPWM 逆变器如图所示，试问： 1.通常载波采用什么波形 2.调制信号采用什么波形

3.在阻感负载下，说明调制信号为一个整周期内电路的工作过程。

4.该逆变器为电压型还是电流型

载波：等腰三角波或者锯齿波，

调制波：正弦波

的半个周期里三角波载波只在正极性或负极性一种极性范围变化，所得到的PWM波形也只在单个极性范围变化。

工作时V

1和V

通断互补，V

和V

通断也互补。以u o正半周为例，V1通，V2断，V3和

交替通断。负载电流比电压滞后，在电压正半周，电流有一段区间为正，一段区间

为负。负载电流为正的区间，V

1和V

导通时，u o等于U d。V4关断时，负载电流通过

V 1和VD

续流，u o=0，负载电流为负的区间， V1和V4仍导通，i o为负，实际上i o从

1和VD

流过，仍有u o=U d。V4关断V3开通后，i o从V3和VD1续流，u o=0。u o总可得到

和零两种电平。u o负半周，让V2保持通，V1保持断，V3和V4交替通断，u o可得-U d和零两种电平。

电压型，每个开关器件都并联了反馈二极管

作图题

试画出如图1所示三相变压器的钟点数。

参考答案：